不同振動壓實工作裝置對軟巖挖方材料壓實效果的對比研究

崔晉陽，吳文震，丁智勇，賈麗霞，聶澤濤

（1.山西路橋第三工程有限公司，山西忻州 034000；2.長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，西安 710064）

0 引言

壓實是大部分土建工程施工中一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，壓實效果的影響因素很多，只有充分根據(jù)工程實際提出有效的技術(shù)措施，才能提高壓實效率[1]。胡偉[2]結(jié)合井睦高速工程實踐對沖擊壓實技術(shù)對壓實效果的影響進(jìn)行了分析，沖擊壓實法可以使石料空隙減小，路堤穩(wěn)定性增加；李晨光等[3]采用理論分析和試驗研究對圓周振動和垂直振動的壓實性能進(jìn)行對比；劉東[4]研究了大噸位壓路機壓實填石路基時石料的破碎、擠密、壓實程度；N. H. Minh等[5]利用離散元軟件研究了粒徑分布對顆粒土材料一維抗壓性能的影響，發(fā)現(xiàn)小顆粒填充孔隙明顯，顆粒破碎可以提高密實度；N. S. Weerasekara等[6]研究了離散元方法模擬顆粒斷裂和破碎，驗證了離散元方法在模擬顆粒破碎中的作用。

為了深入研究軟巖挖方材料在壓實施工過程中的壓實效果，本文研究中建立了3種振動壓實機械工作裝置模型分別對軟巖顆粒模型進(jìn)行了壓實過程仿真試驗研究。

1 振動壓實仿真模型建立

工程中挖方得到的巖石顆粒一般是不規(guī)則的，形狀復(fù)雜，為了達(dá)到實際效果，本文在離散元仿真軟件中使用不規(guī)則模板進(jìn)行顆粒手動填充，建立不規(guī)則顆粒，然后設(shè)置顆粒工廠大量生成。巖石顆粒材料和鋼材在仿真中的本征參數(shù)和接觸參數(shù)設(shè)置如表1和表2所示。

表1 模型本征參數(shù)

表2 模型接觸參數(shù)

在壓實施工過程中易出現(xiàn)破碎，為了可以模擬實際壓實中軟巖顆粒破碎的情況，本文仿真試驗中，采用平行粘結(jié)理論建立抗壓強度為40 MPa的可破碎巖石顆粒模型；之后選用軟件中的Hertz-Mindlin with bonding模型，將所建的可破碎顆粒分層填充成壓實層結(jié)構(gòu)模型，長為1720 mm，寬為1620 mm，高為610 mm，模型如圖1所示。

圖1 可破碎顆粒填充的壓實仿真模型

研究中使用RECURDYN建立了壓實裝備工作裝置的動力學(xué)模型，而不是建立整個壓路機的仿真模型。建模中參考了ZRS320E型壓路機，該壓路機整車質(zhì)量為22 t、前輪分配質(zhì)量為14 000 kg、頻率為29 Hz、振幅為1.9 mm、行駛速度為2.95m/s，振動輪的直徑為1600 mm、寬為1200 mm、輪厚為50 mm。

圓周振動的壓實工作裝置模型主要是由激振機構(gòu)和外鋼輪組成，激振機構(gòu)提供激振力，外鋼輪負(fù)責(zé)工作裝置的行走。

垂直振動的壓實工作裝置模型未改變圓周振動模型的外鋼輪，在激振力不變的情況下，改變了激振機構(gòu)的振動振型，具體是將偏心塊分1個大偏心塊和2個小偏心塊，大偏心塊和小偏心塊起始相位差為0，運動方向相反，實現(xiàn)了激振力的定向激振。

凸塊式振動輪并未改變圓周振動壓實工作裝置的激振機構(gòu)，僅在圓周振動的外鋼輪上加裝了質(zhì)量相對外鋼輪質(zhì)心分布均勻的凸塊，增大了外鋼輪上局部的壓強。3種振動壓實機械工作裝置的仿真模型如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 圓周振動模型圖

圖3 凸塊式振動模型圖

圖4 垂直振動模型圖

2 仿真試驗結(jié)果及分析

2.1 凸塊式振動與圓周振動壓實效果比較

通過對振動壓實工作參數(shù)均相同的凸塊式振動與圓周振動分別與軟巖顆粒模型進(jìn)行振動壓實過程的耦合仿真，壓實效果比較如表3所示。

從表3分析，在前6遍壓實過程中凸塊式振動沉降快，第7遍到第8遍圓周振動的沉降快，壓實第5遍時凸塊式振動與圓周振動的空隙率相差最大達(dá)到0.49%。壓實8遍后圓周振動的沉降率比凸塊式振動大1.51%，空隙率比凸塊振動大0.31%。總體來看，凸塊式振動前期的壓實效果比圓周振動好，圓周振動壓實后期沉降率大，凸塊式振動的最終空隙率小，可能與顆粒被壓破碎率大相關(guān)。

表3 凸塊式振動與圓周振動壓實效果比較

2.2 垂直振動與圓周振動壓實效果比較

通過對振動壓實工作參數(shù)均相同的垂直振動與圓周振動分別與軟巖顆粒模型進(jìn)行振動壓實過程的耦合仿真，壓實效果比較如表4所示。

表4 垂直振動與圓周振動壓實效果比較

從表4分析，第4遍之后垂直振動的沉降更快，在第8遍壓實后沉降率相差達(dá)到9.31%，可見垂直振動能有效提高巖石顆粒層沉降率；隨著壓實遍數(shù)增加，垂直振動的空隙率減少量也小幅高于圓周振動。

2.3 不同壓實機械下軟巖顆粒破碎情況分析

3種振動機械在振動壓實仿真過程中，破碎率結(jié)果如表5所示，破碎率對比如圖5所示。

圖5 不同壓實機械破碎率變化

表5 不同壓實機械破碎率%

從圖5和表5可知，隨著壓實遍數(shù)增加，不同壓實機械壓實后破碎率都呈現(xiàn)上升趨勢；壓實第1遍到第3遍的過程中3種機械壓實后的破碎率變化相差在0.93%以內(nèi)，壓實第4遍到壓實第8遍的過程中圓周振動和凸塊式振動的變化線基本相同，凸塊式振動的最終破碎率比圓周振動微高，說明只改變外輪的形狀并不能有效提高軟巖顆粒結(jié)構(gòu)層整體的破碎率；垂直振動的破碎率在壓實后期時與其它2種相差較大，破碎率的上升速度明顯，最終的破碎率達(dá)到47.23%，這說明采用垂直振動壓實機械對軟巖材料進(jìn)行壓實施工時巖石顆粒破碎效果最大。

3 結(jié)論

1）對振動壓實工作參數(shù)相同的凸塊式振動與圓周振動的模擬結(jié)果表明：在壓實前5遍過程中凸塊式振動壓實效果比圓周振動好，而在第5遍之后圓周振動的壓實效果更好些，凸塊式振動可以有效提高初始壓實施工的效果。

2）對振動壓實工作參數(shù)相同的垂直振動與圓周振動的模擬結(jié)果表明：第4遍之后垂直振動的沉降更快，在第8遍壓實中相差達(dá)到最大為9.31%，垂直振動能快速提高沉降率。

3）不同壓實裝置對軟巖顆粒的壓實破碎效果不同，其中垂直振動破碎率增加最快，最終達(dá)到47.23%，而圓周振動和凸塊式振動破碎率變化基本接近。

4）通過3種振動壓實工作裝置對軟巖顆粒壓實過程的仿真試驗結(jié)果比較，凸塊式振動在壓實施工的前期對沉降率的影響顯著；垂直振動可以快速提高壓實結(jié)構(gòu)沉降率和破碎率；實際工程中，應(yīng)該根據(jù)軟巖強度、軟巖比例和對壓實后沉降率、結(jié)構(gòu)層模量等具體工程要求，靈活組合不同壓實機械進(jìn)行施工。